浅谈如何提高沥青路面的使用性能和耐久性.docx
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浅谈如何提高沥青路面的使用性能和耐久性
湖南城市学院
全日制本科自考助学班毕业论文
题目浅谈如何提高沥青路面的
使用性能和耐久性
学院湖南城市学院
专业交通土建
年级2009
学习形式自考助学
层次本科
学号9121102····8
姓名·····
指导教师·····
2012年4月15日
湖南城市学院全日制自学本科助学教育
毕业论文指导签
专业交通土建层次本科年级2009
学生姓名
····
学号
9121102···48
站点
·····
通讯地址
湖南省长沙市····
邮政编码
4····
学生联系电话
1597319···9
论文题目
浅谈如何提高沥青路面的使用性能和耐久性
指导教师
······
指导教师联系电话
1387365···2
指导教师对选题和提纲的意见
指导教师对初稿的意见
指导教师的最终评审意见
备注
浅谈如何提高沥青路面使用性能和耐久性
(湖南城市学院交通土建专业谭··413000)
[摘要]:
沥青路面使用性能和耐久性受多方面因素的影响,与沥青混合料类型、配合比设计、沥青质量、矿料质量与级配、施工工艺与材料的均匀性、气候环境、交通条件等有较大的关系。
该文通过分析得出集料的岩石类型和质量以及矿料级配对沥青混凝土的物理-力学性质是最关键的影响因素,因此,应重视矿料质量与级配,以提高沥青路面使用性能。
[关键词]:
沥青路面使用性能耐久性
一、引言
由于沥青路面具有表面平整、无接缝、振动小、噪音低、行车平稳舒适、养护维修简便等优点,我国近年来建设的城市道路大多采用半刚性基层沥青路面。
但是,随着城市人口和各种客运车辆的日益增长,城市道路所承受的交通压力不断加大,许多新修的沥青路面使用时间不长就出现了各种病害。
这一方面是由沥青路面抗弯拉强度低、面层的温度稳定性较差,另一方面则与城市道路的特点、施工质量、组织管理等有密切的关系。
因此,深入分析影响城市道路沥青路面质量的各种因素,寻求提高城市道路沥青路面质量的各种对策,对延长城市道路沥青路面的使用寿命、降低城市道路建设成本、方便城市居民的出行等都具有重要的意义。
二、影响沥青路面使用性能和耐久性的因素
影响沥青混凝土路面耐久性的主要因素是车辙、裂缝和半刚性基层的质量.道路交通量大、气温高、路面结构及材料组成配比不当等导致车辙的形成;裂缝因成因不同而分为疲劳裂缝、温度裂缝和反射裂缝,分别探讨了其影响因素;半刚性材料的强度和抗冲刷能力以及施工质量均会影响半刚性基层的质量.应从合理设计路面结构层次及混和料配合比,采取正确的施工方法和养护方法,选择抗冲刷性好、干缩系数和温缩系数小、抗拉强度高的半刚性材料,提高基层质量等来提高沥青路面的耐久性.
下面主要是从沥青路面所处的结构和环境特点对沥青路面上面层材料组成进行分析,参考国内的成功经验和国外相关规范及研究成果,分析适合我国沥青路面上面层用的集料和沥青的相关指标。
(1)沥青路面中,粗集料所占比较大,对混合料整体性能影响显著,因而对透水性沥青混合料上面层粗集料质量的尤其是对磨耗损失、压碎值、磨光值和针片状含量等关键指标的控制应当严格。
(2)对沥青路面用细集料和矿粉的技术标准主要参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40--2004)中相应的规定指标。
为了改善沥青与集料的粘附性,提高混合料高温稳定性和抗飞散性能,可采用干燥的磨细部分消石灰粉或生石灰粉、水泥作为填料的一部分,其用量宜为矿料总量的1%--2%。
三、影响沥青路面使用性能分析
1、沥青路面的高温稳定性
高温稳定性不足:
有车辙、推移、拥包、搓板、泛油等病害
(1)车辙的类型
①失稳性车辙:
沥青路面结构层在车轮荷载作用下,内部材料流动,产生横向位移,在轮迹处出现变形。
②结构性车辙:
路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形主要是由于路基变形传递到面层引起。
③磨耗性车辙:
路面结构顶层材料在车轮磨耗和自然环境因素作用下不断损失而形成的永久变形。
(2)车辙的形成过程
①初始阶段的压密过程
②沥青混合料的侧向流动
③集料的重新分布及集料骨架的破坏
(3)沥青混合料高温评价方法
①现场试验路试验:
AASHTO试验路,WestTrack环道试验
②大型足尺试验:
室内环道、室内直道、重复加载试验(ALF)、重车加载试验等;
③室内小型试验:
单轴压缩试验、马歇尔试验、蠕变试验、轮辙试验、简单剪切试验。
④轮辙试验:
模拟实际车轮荷载在路面上行走而形成车辙的试验方法,室内代表性试验为车辙试验。
车辙试验是在规定尺寸的板块状压实沥青混合料试件上,用固定荷载的橡胶轮反复行走后,测定其在变形稳定期每增加变形1mm的碾压次数,即动稳定度,以次/mm表示。
我国规范规定,一般情况下,试验温度为60℃,轮压为0.7MPa;计算动稳定度的时间原则上为试验开始后45—60min之间;板试件尺寸为300mm,宽300mm,厚50mm。
试验可以三大指标:
任意时刻总变形即车辙深度;动稳定度DS;变形速率RD;
⑤简单剪切试验:
试件尺寸根据混合料最大粒径选定;试验温度为4℃,20℃,40℃。
(4)沥青路面高温稳定性技术标准
沥青路面容许车辙深度发展历程:
路基顶面容许竖向压应变→沥青层容许永久变形→路面容许车辙深度。
(如表1:
容许车辙深度标准)
表1:
容许车辙深度标准(mm)
容许车辙深度标准(mm)美国地沥青学会(AI)
13
英国
20
壳牌石油公司(shell)
高速公路
10
一般公路
30
比利时
干线公路
12
次级道路
18
中国
高速公路
10-15
其他等级道路
交叉口
25-30
非交叉口
15-20
(5)提高沥青路面高温稳定性措
我国沥青路面一般采用半刚性基层沥青面层,基层强度高,因此一般不会出现结构性车辙;由于面层集料一般采用玄武岩,因此磨耗性车辙也少见;所以一般为失稳性车辙,因此必须提高沥青混合料的高温稳定性,即提高粘结力和内摩阻力。
即:
①从集料方面:
集料破碎面多,石质坚硬,具有良好的表面纹理和粗糙度;集料级配良好,有足够数量粗集料形成空间骨架结构;配合比设计合理,注重压实;
②从沥青方面:
使用黏度高的改性沥青或添加纤维;提高沥青材料的粘稠度;控制沥青与矿粉的比值,严格控制沥青用量。
2、沥青路面的低温抗裂性
沥青路面低温时强度增大,但变形能力降低。
急骤降温产生温度梯度,面层受到下部约束产生拉应力,降温也使得沥青混合料劲度增加,导致混合料拉应力大于抗拉强度而开裂。
沥青路面存在两类低温开裂形式:
①低温缩裂:
降温时沥青混合料的体积收缩,温度应力超过混合料极限抗拉强度,裂缝由上而下发展;
②温度疲劳裂缝:
路面在低于极限抗拉强度的温度应力反复作用下开裂,发生在温度频繁变化的地区;
(1)低温开裂机理(图1)
图1
累计温度应力与极限抗拉强度相等时的温度,即为开裂温度。
(2)沥青混合料低温抗裂评价
①间接拉伸试验——低温劈裂试验:
标准马歇尔试件(直径101.6+-0.25mm、高63.5+-1.3mm),0℃或更低,加载速率1mm/min;
②直接拉伸试验:
试件38.1mm×38.1mm×101.6mm,T可变,缓慢拉伸速率;
③约束试件应力试验仪(TSRST)试验:
50mm×50mm×250mm试件,降温速率10℃/h,是SHRP推荐的评价沥青混合料低温抗裂性能的方法;
④应力松弛试验:
直接应力松弛试验;弯曲应力松弛试验等。
(3)沥青路面低温开裂的预防措施
影响因素:
沥青的性质、气温状况、沥青老化程度、路基的种类和路面层次的厚度、面层与基层的粘结状况、基层所用材料的特性、行车的状况等。
可采取的预防措施:
①使用稠度较低、温度敏感性低的沥青;
②使用含腊量低的沥青,使用应力松弛性能好的改性沥青,掺加纤维;
③使用较细的混合料类型,设置应力吸收层。
3、沥青路面的水稳定性
水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下,由于汽车车轮动态荷载的作用,进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用,水份逐渐进入沥青与集料界面上,使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力,沥青膜从集料表面剥离,沥青混合料松散导致路面松散、剥落、坑槽病害。
(1)水稳定性作用机理
粘附理论:
水降低了沥青的粘附性、对沥青形成冲刷,水进入沥青与集料间、隔离了沥青与集料的粘结;
(2)沥青路面水稳定性评价方法
①煮沸试验:
评价沥青与粗集料的粘附性;
②浸水马歇尔试验:
两组马歇尔试件,一组在60℃恒温水槽中保养30min~40min,另一组在60℃恒温水槽中保温48h,测马歇尔稳定度的比值。
③冻融劈裂试验:
将马歇尔试件以标准的饱水试验方法真空饱水,放入塑料袋中加入约10ml水,扎紧袋口,将试件放入-18℃的冰箱保持16h,后撤去塑料袋,放入60℃的恒温水槽中保持24h,再将试件浸入温度25℃的恒温水槽中至少2h,测试劈裂强度比。
(年最低气温低于-21.5℃的寒冷地区)
4、强度性能
从路面的实际损坏状态可以得出沥青路面抵制破坏的强度主要有三个方面:
(1)超过某一“强度’’而引起的破坏;
(2)超过某一“变形值”而引起的破坏;
(3)超过某一“应力松弛状态"而引起的破坏,即剪切强度、断裂强度和临界应变。
混合料的剪切试验采用三轴试验方法,认为剪切强度(f)的特性符合摩尔一库仑公式:
f=c+tanφ,C值表示粘聚力,缈值表示摩阻角。
对于透水沥青混合料,由于粗集料含量多,约占混合料总量的85%,粗集料之间的嵌挤和摩擦力相对较大,因而这种骨架空隙结构能够提供较大的摩阻角;同时由于细集料含量少,混合料中空隙大,混合料中粗集料间的接触面积小,导致沥青胶浆形成的胶结作用相对于密级配的沥青混合料来说明显偏小,为了补充混合料的粘聚力,提高混合料的抗剪切强度,沥青路面材料选用时要求采用高粘度改性沥青,这种高粘度改性沥青可以提供比普通沥青大的多的粘聚力,以满足骨架空隙结构对抗剪切强度的要求。
四、影响沥青路面耐久性的主要病害和防治措施
1、沥青路面各种病害的成因比较复杂,由于环境、地点、气候条件的不同,病害情况不一,主要有下面几种:
(1)、泛油是由粘结料或沥青浆溢出路面形成局部黑而光亮的斑面。
由于混合料中沥青用量偏多,沥青稠度太低,粘结料过软,或者是高温时下层粘结料上溢等,都会引起泛油。
(2)、波浪它是路面上形成有规则的低洼和凸起变形。
(3)、壅包是沿交通流方向出现的路表材料的竖向位移。
这类病害大多是由于路表材料稳定度低、交叉口车辆的频繁起动与制动、水泥混凝土与沥青混凝土路面接点处产生过大应力所致。
此外,面层较薄,以及面层与基层的粘结性差,也易产生推挤、壅包。
(4)、滑溜沥青路面滑溜主要是由于行车作用造成矿料磨光。
沥青面层中多余的沥青在行车荷载重复作用下泛油,也易形成表面滑溜。
(5)、裂缝沥青路面上出现的裂缝,按其成因不同分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝三种类型。
裂缝是沥青路面主要的一种破坏形式。
2、沥青路面病害及原因
(1)、设计方面①路面结构设计不合理。
②旧路补强段的路面厚度考虑不足。
③路面厚度设计问题。
④路面原材料选用问题。
(2)、施工方面①对透层油或粘层油的作用认识不够,造成各结构层问连续性和粘结性差,为降低工程造价,摊铺面层前基层不撒透层油,或撒布工艺控制不严造成计量不准、油膜不匀、稠度不连续;基层清扫不净,残余浮土、碎石、油污等形成隔离层。
②对原材料和沥青混合料配合比控制不严,特别是矿粉和沥青用量不准,使沥青路面早期出现壅包、松散、露骨、坑槽等。
③施工机械设备陈旧、不配套,使混合料的配合比计量、拌和均匀性、压实度、平整度等受到很大影响。
路面基层施工初期曾采用人工拌和,后期主要采用路拌机路拌,平地机和压路机组合摊铺,极易造成水泥等粘结材料拌和不匀、基层顶面泛浆形成光滑的灰浆层或硬壳,从而导致层间粗糙度不足。
④铺筑过程中压实度不足,造成面层内部孔隙率较大,粘结力、防水性能下降;拌合厂较远,运输途中混合料热量损失较大,温度不能满足铺筑要求;为保工程进度低温施工。
⑤沥青混合料加热温度过高,拌和时沥青被矿料的高温灼焦、沥青老化,使路面强度不足,产生松散、坑槽等病害。
(3)养护管理方面
①养护不及时。
沥青路面在行车作用下出现小面积松散,个别坑槽后,未及时进行养护,特别是采用层铺法施工的贯入式路面和表面处治,初期及时养护更为重要。
养护方法不当。
养护人员在沥青路面上采取人工喷油(或洒布机喷油)、人工撒料方法进行养护,结果破坏了原路面的平整度,甚至由于喷油不够,用油量控制不平衡,造成泛油、壅包、松散等病害。
3沥青路面早期病害防治措施
(1)重视沥青路面的合理结构设计
设计质量是工程质量的基础和前提,设计单位应从实际出发,对地形复杂路段,做好地质调查工作,进行合理的结构设计,以免给工程留下后遗症。
选用合理的基层和底基层结构,并保证一定厚度。
实践证明,半刚性基层材料强度高,水稳定性好,刚度大,如水泥稳定碎(砾)石、水泥稳定石屑、二灰碎石等,是公路相对合适的基层。
底基层在填方路段宜采用砂砾垫层、天然粒料垫层等,在挖方路段,宜采用水稳定性较好的水泥石灰综合稳定土或二灰综合稳定土做垫层。
合理选用沥青面层厚度。
最新研究成果表明:
①半刚性基层沥青路面结构的承载能力可由半刚性材料层(基层和底基层)来完成,无需用增厚面层来提高承载力;②提高沥青路面的使用质量不是用厚的沥青面层,而是使用优质的沥青;③沥青面层的裂缝不只是反射裂缝,在正常施工情况下主要有沥青面层的温缩裂缝;④厚沥青面层的病害中车辙不容低估,厚沥青面层较容易导致在设计使用期间车辙超过容许值。
综合上述,面层应根据设计轴载大小、抗疲劳极限等指标根据规范确定厚度。
③加强沥青路面的防水设计。
为防止沥青路面因水而引发早期破坏,除要求路基、路面必须具备足够的稳定性和强度外,还要求路面必须有较好的排水性能,为此,路面排水设计应成为路面设计中的重要内容。
(2)、沥青混合料配合比设计的优化
沥青的选取。
沥青质量的优劣与沥青路面的好坏有密切的关系,直接影响到沥青路面的使用性能。
因此,必须选用含蜡量低、延度大、温度敏感性低等符合重交通道路石油沥青技术要求的沥青。
矿料的选择。
矿料质量直接影响到沥青混合料的强度,是沥青路面早期破坏的主要影响因素。
碎石的压碎值、磨耗值不符合要求将造成沥青混合料的稳定度偏低,引起沥青路面早期的剥落。
碎石与沥青材料的粘附大小,对沥青混合料的强度和耐久性有极大的影响。
因此,应选择符合技术规范要求的碱性矿料。
③混合料配合比的确定。
配合比设计中主要是考虑稳定性与耐久性。
稳定性包括高温稳定性与低温抗裂性。
耐久性包括抗水剥离性与老化性,通常以马歇尔试验作为主要的测试手段,由此来决定对矿料的级配和沥青用量,以确保混合料有良好的性质。
(3)严格施工程序,确保工程质量沥青路面的质量,除结构设计、材料组合外,还取决于施工。
沥青路面施工必须按全面质量管理的要求,建立健全有效的质量保证体系,严格按施工规范施工,对施工的全过程、各阶段、每道工序的质量进行严格的检查、控制、评定,以保证达到规定的质量标准,最终保证建设项目的整体质量。
(4)沥青路面早期病害的处理措施
对已完工的防渗性差及局部损坏的路面,普遍加一层改性乳化沥青稀浆封层,可取得良好效果。
对沥青面层产生的严重壅包。
a采用铣刨机进行铣刨;b使用人工按削峰填谷法,削去壅包的顶部,用拌和料层铺法填补低凹处。
对于沥青含量较大的壅包,采取彻底挖除重新铺筑沥青面层的方法处理。
对于不太严重的连片壅包,采用沥青拌和料进行调平。
对于次高级路面产生的严重泛油,应及时铺撒石料。
同时应根据泛油的程度选用石料规格,对于严重泛油的使用石料粒径为0.5~1.5cm,对于一般泛油的使用石料为0.5cm的粒径。
对于局部沉陷、坑槽要及时修补,应采取圆洞方补方法,用原路面相同的沥青混合料填补、压实,并保持平整。
对于裂缝,应先把裂缝的旧迹凿掉,使其露出新碴并成V形槽,用压力大于0.5MPa的空压机吹去缝中的灰土后,用乳化沥青或裂缝修补材料进行填补,并注意灌缝材料的下沉状况,及时补灌,保证效果。
五、提高沥青路面使用性能和耐久性的主要因素
沥青路面面层的使用性能主要指平整度、抗滑性和减少噪音。
众所周知,沥青路面面层的平整度与下卧各层的结构强度和平整度有关,又与表面各层沥青混凝土的均匀性、施工工艺的先进性和严格程度有关,它与沥青和矿料的质量及级配关系不大。
沥青混凝土面层的抗滑性能和减噪性能,主要取决于表面层矿料的质量和矿料级配,它与沥青的质量关系不大。
为了使沥青路面面层的使用性能耐久,除路面有足够的承载能力、使路面不会产生结构性破坏外,还必须解决沥青面层本身可能产生的一些早期破坏,常见的早期破坏有沥青混凝土层产生严重辙槽、严重泛油;沥青混凝土层,特别是表面层容易透水,并导致早期水破坏;沥青路面表面层产生严重低温裂缝,沥青混凝土层产生疲劳开裂(主要针对柔性路面)。
因此,沥青路面的高温抗永久形变能力要强,使沥青路面层能承受重载车辆的反复作用,不易产生严重的辙槽;沥青路面的油石比应该适宜,避免产生泛油;沥青混凝土层要密实、透水性小和均匀性好,使水不易透入并滞留在某层内,以避免早期水破坏。
从高温抗永久形变能力来说,首先要使用质量好的矿料,其次要有能形成骨架-密实结构的矿料级配,在此前提下,再使用高温粘度大的沥青,才能使沥青混凝土具有较高的高温抗永久形变能力。
因此,矿料质量和矿料级配是最关键的因素。
从泛油来说,主要是沥青用量和沥青混凝土的现场孔隙率问题。
此外,沥青路面的抗疲劳破坏能力和表面层的低温抗裂缝能力,对沥青路面的使用性能都有用量和沥青质量优劣有关。
但它与沥青路面的高温抗永久形变能力又有矛盾。
而且一旦沥青面层产生了裂缝,只要采取及时封缝的养护措施,防止降水从裂缝进入沥青面层,即可以基本消除水的破坏作用。
而且一旦沥青面层产生了裂缝,只要采取及时封缝的养护措施,防止降水从裂缝进入沥青面层,即可以基本消除水的破坏作用。
六、结语
沥青路面的病害严重影响了道路的使用性能,给国家造成了极大的经济损失,应引起足够的重视,随着道路等级的不断提高,交通量的逐年增大,重载车的日益增多,沥青路面面临严峻考验。
虽然经过众多公路行业专家同仁的共同努力,沥青路面的整体质量有了很大提高,这还需要我们做进一步研究与探讨,相信通过不断的经验积累和深入的科学研究,会逐渐减少沥青路面病害现象的发生。
参考文献
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长安大学硕士学位论文,2007.6
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人民交通出版社,2001
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同济大学出版
【5】沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].
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【7】JTJ052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]
致谢:
本论文是在陈···老师的悉心指导下完成的,在此予以衷心的感谢。
他严谨的治学精神,精准求精的工作作风,深深地感染和激励着我。
从课题的选择到最终成,陈···老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
在此我谨向陈···老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
通过毕业论文的准备,使我对两年的考试有了一个全面的综合,能力和水平得到明显的提高,感谢所有帮助过我的人。
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